Целевая кривая для наушников RAA v1

О целевых кривых

При оценке АЧХ наушников нам обычно нужна референсная АЧХ, которая бы давала точку отсчета.

Один из универсальных вариантов, это выбрать АЧХ знакомых наушников и на контрасте оценить различия. Но обычно хочется видеть целевую кривую, которая обозначала бы некий “ровный звук”, по аналогии с АС с ровной АЧХ.

При прямом сравнении необходимо придерживаться правила, что наушники должны быть измерены в одинаковых условиях на одном стенде, аналогично и целевая кривая должна быть получена под конкретный стенд.

Для стенда стандарта IEC 60318-4 существует популярная целевая кривая от Harman, обозначающая звучание ровно настроенных АС в подготовленном помещении. Но как эту целевую кривую перенести на другой стенд? Один из логичных вариантов, это сделать измерения одних и тех же экземпляров наушников через стенд стандарта IEC 60318-4 и искомый стенд и далее вывести пересчитанный аналог Harman. В рамках проекта RAA такая потребность есть для стенда HDM-X и результатов живых измерений.

Но, при проделанной масштабной работе в Харман, некоторые моменты остаются не слишком ясными и понятными, т.к. конечные выводы не содержат некоторых исходных данных. Соответственно, если сделать просто пересчет, то нельзя будет ответить на банальные вопросы в стиле “а почему в теории должно быть так, но на практике результат иной”?

Таким образом, для получения целевой кривой для стенда HDM-X было решено сделать собственные исследования, которые в чем-то повторяют проделанную работу в Харман, а в чем-то в корне отличаются.

Основные целевые кривые, основанные через измерение стенда с ровно настроенных АС, это кривые свободного поля и диффузного поля.

Первый вариант считается неудачным, т.к. при изменении угла положения стенда по отношению к АС АЧХ меняется, и сложно выбрать удачный угол, при котором АЧХ наушников была бы близка к полученной АЧХ станда от АС и при этом воспринималась бы не только субъективно близко, но и натурально.

Диффузное поле предполагает, что звук к стенду приходит одновременно со всех сторон и в области ушной раковины образуется ровная АЧХ. Но такие условия не просто сделать, а главное - крайне трудно проконтролировать, что звук действительно приходит равномерно с разных сторон. Формально можно сделать одинаковые условия, но результат будет неизбежно различаться.

Теоретически, если измерить стенд под разными углами с небольшим шагом поворота головы по горизонтали и вертикали и сложить полученные АЧХ, то мы можем получить искомое диффузное поле. Хотя, и здесь есть определенные нюансы.

Формирование целевых кривых

Т.к. в RAA измерения производятся не только через стенд, но и вживую, то было решено сформировать целевые кривые на основе HRTF - групп АЧХ измеренных тенда под разными углами.

Если в Harman упор был сделан на стенд стандарта IEC 60318-4 с определением наилучшей целевой АЧХ, то в RAA целью является определение метода получения подобной АЧХ под любой произвольный стенд, вместе с методами определения критериев соответствия целевой АЧХ к АЧХ наушников и методов выравнивания АЧХ.

Первый этап и первая версия целевой кривой и методов - это определение целевых кривых под индивидуальное живое измерение. Где после измерения есть возможность настроить АЧХ наушников с учетом собственной головы.

Были выбраны группы АЧХ под разный угол охвата с шагом в 15 градусов.

• HRTF Human: romanrex 0~120° - широкий угол
• HRTF Human: romanrex -15~165° - широкий угол под 180 градусов
• HRTF Human: romanrex 15~75° - узкий угол, приближенный к свободному полю под АС, расставленных под 45° ±30°
• HRTF Human: romanrex 0~345° (360°), аналог диффузного поля.

Конечная основа целевой кривой - это усредненное значение загруженных АЧХ.

Общая форма полученных АЧХ получилась близкой, но с разным общим уровнем.

Примечательно, что кривая для 360° получилась ниже всех, хотя ожидалось, что она должна быть аналогом кривой диффузного поля, которая в свою очередь наоборот должна давать наибольший подъем на ВЧ. Скорее всего такое расхождение связано с тем, что кривую диффузного поля получают при воспроизведении шума с фиксацией АЧХ по пиковым значениям. А здесь же АЧХ получается по усредненному значению по мощности между исходными АЧХ.

Возможно, в дальнейшем в инструментарий RAA будет добавлена возможность получения конечной АЧХ от группы не только по среднему значению, но и по максимумам.

Формирование таргетов

Таргет и целевая кривая - это синонимы. Здесь для смыслового разделения целевыми кривыми обозначены исходные АЧХ групп 0~120°, -15~165°, 15~75° и 360°. Таргетами названы эти же кривые после дополнительной обработки корректирующими маркерами.

Хорошо видно, что везде на графиках есть высокочастотный провал в области 7-10 кГц. Частота этого провала зависит от поворота головы.

Как быть с этим провалом? Исчезнет ли он, если сделать измерения не только в горизонтальной оси, но и вертикальной? Есть ли этот провал при живом прослушивании АС?

При субъективном прослушивании в ближнем поле этот провал действительно есть. Это порождает другой вопрос, а надо ли этот провал вообще учитывать?

Представим ситуацию, что нам надо откалибровать изображение монитора, путем его фотографирования на фотоаппарат. При этом, между фотоаппаратом и монитором у нас есть непрозрачная ваза. На фотоснимке ваза получается не в фокусе и частично перекрывает изображение как непрозрачное пятно, а по своим краям оно частично прозрачное, т.к. не в фокусе.

Если мы внесем поправку на изображение от вазы, то частично мы можем исправить лишь ту часть, что попадает в частично прозрачные края изображения вазы. При этом, когда начнем смотреть на этот экран вживую, то наша точка просмотра будет немного иной и коррекция в области вазы даст совсем не тот результат, что на фотоаппарат.

Таким образом, раз уж провал на АЧХ дает нам наша ушная раковина и этот провал дополнительно зависит от угла поворота и посадки наушников, то логично попробовать “исключить вазу из уравнения”. Т.е. не трогать провал, как если бы его и не было.

Для этого в инструментах можно воспользоваться корректирующими маркерами.

В первом варианте удаляется высокочастотный провал в области 8 кГц. Этот вариант получил название как Таргет 1 (и соответствующие четыре подварианта от разных групп углов).

Во втором варианте удаляются все провалы от пика до пика - Таргет 2.

В третьем случае применяется дополнительное сглаживание в 1 октаву, поверх исходного ⅓ октавного сглаживания. Это Таргет 3 и Таргет 4. Различия между этими целевыми кривыми описаны ниже.

Для тестирования было выбрано пять моделей наушников.

Критерии выбора:

• То что есть сейчас в личном пользовании и то, что с большой долей вероятностью будет под рукой для последующих опытов
• Модели среднего и хорошего уровня
• Модели с просторными амбушюрами для возможного участия с разными людьми в экспериментах

Таким образом определились следующие модели:

• AKG K 712 Pro
• Beyerdynamic DT 880 Pro
• Audio-Technica ATH-AD900
• Kenwood KH-K1000
• Fischer Audio FA-002 с гибридными амбушюрами

В планах было использовать еще электростатические Koss ESP 950, но в день проведения теста неожиданно сломался штатный усилитель. Возможно, эта модель наушников добавится в следующих этапах тестирования после починки. Другие модели аналогично могут появиться в дальнейших этапах тестирования.

Стоимость, статусность или отделка внешнего вида для данного тестирования значения не имели. Как не имело и значения выявление наиболее близкой к ровному звучанию модели наушников. Основной принцип подхода к оценке АЧХ в RAA заключается в том, что для разных условий прослушивания нужны разные поправки АЧХ. Соответственно надо определить одну базовую референсную целевую АЧХ, а к ней уже добавлять поправочные АЧХ, зависимые от условий прослушивания: уровня громкости при прослушивании, уровня внешнего шума, шумоизоляции и т.п.

Формирование Методов

Для выравнивания АЧХ наушников были заложены аналогичные подходы коррекции АЧХ.

Варианты коррекции АЧХ и настройки экспорта обозначены как Методы.

Устранение основных провалов в области высоких частот, и общее сглаживание выше 1 кГц. Метод 2 по своей сути повторяет подход Таргет 1 и 2. А метод 3 и 4 таргет 3 и 4.

Таким образом определились варианты коррекции АЧХ для субъективного теста.

Итоговые сочетания таргетов и методов

В примерах показан вариант с Fischer Audio FA-002, если перейти по графику на страницу сравнения, то там можно посмотреть на весь проект и отобразить остальные наушники, посмотреть, как настроены маркеры-функции под все варианты таргетов и методов.

Сплошной линией показывает тот вид АЧХ, который требуется исправить эквализацией.

Таргет 1 + Метод 2



• Устранение только высокочастотного провала на HRTF
• Устранение высокочастотного провала на АЧХ наушников
• Сглаживание ВЧ в настройке экспорта

Таргет 2 + Метод 2



• По максимумуам без высокочастотных провалов на HRTF
• Устранение высокочастотного провала на АЧХ наушников
• Сглаживание ВЧ в настройке экспорта

Таргет 3 + Метод 4



• Сглаживание ВЧ +1 в HRTF
• Сглаживание ВЧ +1 на АЧХ наушников
• Без сглаживания ВЧ в настройке экспорта

Таргет 4 + Метод 3



• Без сглаживания ВЧ в HRTF
• Без сглаживания ВЧ на АЧХ наушников
• Сглаживание ВЧ в настройке экспорта

Получилось, что на одну модель наушников пришлось по 16 вариантов коррекции.

Через функционал экспорта на сайте RAA в формате CSV были выгружены соответствующие АЧХ, а в сервисе squig.link определены значения под параметрический эквалайзер (с ручной корректировкой, где автомат не слишком хорошо справился). Полученные пресеты были сконвертированы в VST плагин Qrange. Благодаря дополнительному конвертеру все это не заняло большого количества времени на 16х5 = 80 пресетов.

Тракты с АС

Для сравнения с АС было выбрано три разных по характеру тракта.

По отношению к результатам, полученных в Харман, можно порой увидеть замечания, что у них использовались какие-то "не такие АС", где на результат могла повлиять диаграмма направленности, специфический характер звучания или искажений.

Здесь, за счет трех принципиально разных трактов, можно уравнять специфику каждой из систем.

Sony SA-S1



Активные двухполосные АС Sony SA-S1 с электростатическими ВЧ и электрической обратной связью в 6.5" НЧ динамике. Пик технологий от Sony под закат "золотой эры аудио". В 1995 году стоимость этих АС составляла £1.500.

Behringer A500 + Microlab Pure One



Условно типовой Hi-Fi.

Behringer A500 - это усилитель, работающий в классе АБ, со специфичной схемотехникой регулировки уровня громкости, из-за которой уровень искажений и соответственно качество звука значительно меняется. Подробнее об этом есть в моем соответствующем обзоре iXBT.com.

Microlab Pure One - это попытка выйти на рынок Hi-Fi в 2006 году от популярного производителя бюджетных активных компьютерных колонок (на тот момент у Microlab были одни из лучших решений за $100~200). Реализуемая стоимость Pure One составляла $600~700 и была вполне конкурентоспособной в этой ценовой категории. По разным причинам производитель не стал развивать это направление.

Mistral DT 307B + Mistral DT 308s



Mistral DT 307B - гибридный усилитель, где ламповый тракт отвечает за предусиление по напряжению, а транзисторный тракт за будер тока.

Mistral DT 308s - небольшие полочники с 4” СЧ-НЧ динамиком.

Все эти системы в ближнем поле обеспечивают достаточно ровную АЧХ в высокочастотном диапазоне, правка потребовалась в основном в области средних частот.

Проведение тестирования

Т.к. помещение лаборатории не располагает к настройке низкочастотного диапазона и так как целью было определить лишь соответствие высокочастотному диапазону, то при воспроизведении частоты ниже 100 Гц были обрезаны как для наушников, так и АС.

Исходные тестовые треки воспроизводились из foobar2000, далее звуковой поток поступал в Ableton Live. Такую возможность обеспечил драйвер звуковой карты Audiotrak Prodigy 7.1 через панель DirectWire. Далее на один стерео выход сигнал шел на АС с настройкой эквализации для соответствующих АС, а на альтернативный выход сигнал шел на тракт с наушниками.

Первый стрип в проекте Speakers - это АС, с выходом в стрип с выходом на стереопару 3/4.

Последующие четыре - один из пресетов на наушники с выходом в стрип на стереопару 1/2.

Переключение между стрипами на вход было организовано через MiDi контроллер Novation Nocturn. Дополнительно через него включался и режим воспроизведения только средних частот.

Таким образом получился следующий порядок действий.

Сначала в стрипы загружались пресеты по группам таргетов:

• Таргет 1 + Метод 1
• Таргет 2 + Метод 1
• Таргет 3 + Метод 4
• Таргет 4 + Метод 3

Перед тестированием выставлялся субъективно одинаковый уровень громкости между АС и наушниками через включение дополнительной настройки эквалайзера, оставляющего полосу воспроизведения от 100 до 500 Гц.

После этого из четырех пресетов в группе ставилась оценка по трехбалльной шкале, где 0 - плохое соответствие, 2- наилучшее.

Далее выбирался вариант с наилучшим соответствием среди результатов, получивших 2 балла и соответственно этот результат становился равным 3 баллам.

Итого: 3 тракта с АС, 5 моделей наушников по 16 пресетов - это 240 отдельных тестов.

За счет настройки MiDi контроллера и сохраненных конфигураций проектов в Ableton Live организационно проводить тест было не так сложно.

Самой большой сложностью было дать оценку схожести звучания. С одной стороны, разная панорама между АС и наушниками. С другой - небольшой поворот головы приводил к изменению тональности высоких частот и это требовало компромисса для оценки результата.

Можно было отдать предпочтение одному из вариантов - где звук был в среднем ближе к АС без поворота головы, или с учетом изменения АЧХ при повороте головы под более естественное звучание в наушках. Вполне возможно, что при разном самочувствии этот компромисс был бы разным. Или при выборе наилучшего таргета с методом, в дальнейшем при подборе более близких к нему альтернативных вариантов именно этот компромисс станет препятствием для вывода “более точного” таргета и метода.

Итоговые оценки

Наилучшие результаты получились для таргетов с устранением провалов, включая устранение провалов на АЧХ наушников для исходных целевых кривых с широким углом.

Наихудшие результаты дали целевые кривые с углом под 360 градусов и узким углом.

Таргеты 1 и 2 требуют ручных действий от пользователя, в то время как таргеты 3 и 4 создаются автоматически.

Соответственно, на основе полученных данных для автоматического выравнивания можно рекомендовать вариант "Таргет 3 + Метод 4" для целевой кривой -15~165°:

• Сглаживание ВЧ в HRTF
• Сглаживание ВЧ на АЧХ наушников
• Без сглаживания ВЧ в настройке экспорта

Для наилучшего результата - использовать таргеты 1 и 2 для целевой кривой от -15~165°.

Перспективно выглядит и вариант с готовыми Таргетами 1 и 2 для целевой кривой -15~165° с Методом 4 для наушников, где на АЧХ наушников не устраняются провалы, а делается сглаживание +1 и далее идет выгрузка без сглаживания в экспорте. Этот вариант аналогично не требует дополнительных действий от пользователя и является автоматическим.

Применение в отчетах

По итогам определения целевой кривой для стенда HDM-X и Human основной отчет наушников получил разделение на три отчета.

• Основной профессиональный отчет характеристик
• Рекомендации эквализации и соответствие целевым кривым
• Взаимодействие с источниками-усилителями

Основной отчет

Таким образом в отчетах в качестве целевой кривой как “целевая кривая RAA v1” по итогам первого этапа будет вариант Таргет 2.

Отчет рекомендаций для эквализации и соответствия целевым кривым

В рекомендациях для выравнивания АЧХ, аналогично Таргет 2, но с Методом 4. В перспективе будет добавляться и вариант ручной настройки с Методом 2.

Дальнейшие планы

Дальше - второй этап субъективного прослушивания для определения “целевая кривая RAA v2”. которая будет аналогично уточнять как вид целевой кривой, так и методы для оценки соответствия и алгоритма выравнивания АЧХ.

Возможно, это будет повтор текущего теста, но под оценку выравнивания по стенду HDM-X. Сейчас целевые кривые и методы определены на основе живых измерений с предположением, что аналогичные результаты были бы и любого иного стенда с измеренным HRTF.

Так как все графики в проекте RAA отображаются интерактивно, то новая целевая кривая автоматически добавится во все отчеты и сервисы сравнения.